陶瓷和仿珍珠母陶瓷/聚脲復合結構的沖擊損傷對比

吳和成，肖毅華

（華東交通大學機電與車輛工程學院，江西 南昌 330013）

陶瓷具有高強度、高硬度等良好的力學性能和優異的化學穩定性，被廣泛用作坦克、軍機和輕型裝甲車輛等裝備的防護材料[1-2]，但較差的韌性使其在防護結構中的應用受到一定的制約。貝殼珍珠母作為一種天然的陶瓷復合材料[3]，其獨特的“磚-泥”式微觀結構使其兼具強度高和韌性好的優異特性，這為高性能防護材料的開發提供了重要的借鑒。目前，模仿珍珠母的多級微觀結構，開發仿珍珠母復合材料和結構受到了人們的重視。

一些研究者開展了仿珍珠母復合結構的抗沖擊和抗爆性能研究。Grujicic等[4-5]通過有限元模擬對比了相同面密度的碳化硼陶瓷板與仿珍珠母碳化硼/聚脲復合板的抗沖擊性能，研究表明仿珍珠母復合板的彈道性能更好。Wu等[6]通過有限元模擬和實驗研究了珍珠母結構中界面強度對其損傷模式和吸能能力的影響，結果表明：珍珠母結構在不同界面強度下的失效模式不同，在最佳界面強度時其失效模式表現為層間分層和層內裂紋擴展同時發生，耗能最大。Wang等[7]通過落錘實驗研究了低速沖擊下仿珍珠母陶瓷復合結構的抗沖擊性能，發現仿珍珠母復合結構比層狀復合結構具有更好的抗沖擊性能。Gu等[8]通過有限元模擬和實驗研究發現仿珍珠母復合結構的抗沖擊性能優于其各組成成分。Flores-Johnson等[9]通過有限元模擬發現仿珍珠母鋁合金/環氧樹脂復合材料的抗爆性能優于鋁合金。Haynes等[10]通過有限元模擬研究了陶瓷片的大小、形狀和黏結劑的黏結強度對仿珍珠母復合板抗沖擊特性的影響，并討論了仿珍珠母復合板的制備問題。最近，Yin等[11]提出了一種抗沖擊的仿珍珠母玻璃復合材料，研究表明該材料的抗沖擊性能比夾層玻璃和鋼化玻璃高2～3倍。

已有研究重點考慮了仿珍珠母結構在彈體和爆炸沖擊作用下的吸能特性，對其沖擊損傷演化過程和機理缺乏系統的研究。分析仿珍珠母結構的沖擊損傷過程，對理解其破壞和吸能機理有重要意義，同時明確其在沖擊載荷作用下的損傷模式以及保持結構完整性的能力，可以為其抗沖擊性能的優化設計提供參考。本研究基于數值模擬研究陶瓷梁和仿珍珠母陶瓷/聚脲復合梁受平頭彈撞擊的損傷演化過程，對比分析兩者的損傷模式和范圍，探討彈體撞擊速度對兩者損傷演化過程的影響。

1 計算模型

1.1 有限元模型

Riou等[12]通過實驗觀察了碳化硅陶瓷梁受平頭彈沖擊的損傷演化過程。基于LS-DYNA建立該實驗的有限元（FEM）模型（見圖1(a)），通過實驗結果驗證數值模擬的合理性。彈體的速度為203 m/s，彈體的直徑為11 mm，長度為20 mm；梁的長度為100 mm，寬度為10 mm，高度為20 mm。

同時，建立了仿珍珠母碳化硅陶瓷/聚脲復合梁受彈體撞擊的有限元模型（見圖1(b)），模擬其損傷演化過程。為了方便與陶瓷梁對比，彈體和梁的尺寸均與前述相同。在仿珍珠母復合梁中，陶瓷片和聚脲的厚度分別為0.45和0.10 mm，陶瓷片的邊長為4.95 mm，陶瓷片的邊長/厚度比為11，與實際珍珠母中文石片的面內尺寸/厚度比相近。

在彈體撞擊陶瓷梁的模型中，采用自動面面接觸算法定義彈體與梁之間的接觸。在彈體撞擊仿珍珠母復合梁的模型中，采用帶侵蝕的面面接觸算法定義彈體與梁之間的接觸，采用TIED型面面接觸算法定義陶瓷與聚脲間的黏結；同時，采用單面接觸算法定義聚脲破壞后陶瓷片間可能存在的接觸，并采用帶侵蝕的單面接觸算法模擬聚脲破壞后可能存在的內部接觸。

1.2 材料模型及參數

彈體的材料特性采用Johnson-Cook模型（*MAT_98）描述。碳化硅陶瓷的材料特性采用JH-2模型（*MAT_110）描述。兩者的材料參數分別見表1[13]和表2[14]。表1中，ρ為密度，A、B、n、C為屈服強度常數；表2中，G為剪切模量，Ac為完好材料的歸一化強度參數，Bc為失效材料的歸一化強度參數，M為失效材料的壓力指數，N為完好材料的壓力指數，T為最大抗拉強度，σHEL為Hugoniot彈性極限，pHEL為Hugoniot彈性極限壓力，D1為失效應變系數，D2為失效應變指數，K1、K2、K3為狀態方程壓力系數。聚脲材料為ESU630D，其密度為1 065 kg/m3，其材料特性采用Mooney-Rivlin模型（*MAT_27）描述。聚脲的材料參數通過輸入Mohotti等[15]測得的工程應力-應變曲線（應變率：400 s-1）并經LS-DYNA自動擬合得到。根據Mohotti等[15]的實驗結果，ESU630D聚脲在各應變率下的斷裂應變均約為0.7，故本研究取最大主應變為0.7作為侵蝕準則，模擬聚脲的失效。

表1 彈體的材料參數[13]Table 1 Material parameters for projectile[13]

表2 陶瓷的材料參數[14]Table 2 Material parameters for ceramic[14]

2 結果與討論

2.1 203 m/s撞擊速度下梁的損傷

圖2給出了幾個典型時刻的梁的損傷云圖。由圖2(a)可見，在1.9 μs時，陶瓷梁的損傷從彈著點處彈體的邊緣開始呈錐形擴展，損傷帶窄而長；同時，梁的背面附近出現損傷，這主要是由于壓縮應力波到達自由面反射形成拉伸波而造成的。到4.9 μs時，錐形損傷帶繼續向背面擴展，損傷帶內的材料完全損傷，發生失效，陶瓷錐形成；錐形損傷帶間出現較大的損傷區域，表明陶瓷材料發生破碎；同時，彈著點處出現輕微的成坑現象。到7.9 μs時，錐形損傷帶進一步向背面擴展，并出現明顯的橫向擴展；中間區域的損傷程度也變得更嚴重，且損傷區域橫向范圍擴大；同時，彈著點處出現較明顯的成坑現象。圖2(b)為實驗觀察得到的圖像。在1.9 μs時，可以看到從彈著點處萌生出錐形的裂紋區域，兩條較密的裂紋帶間的區域出現稀疏的裂紋；到4.9 μs時，錐形裂紋區域向背面擴展，陶瓷錐基本形成，整個錐形區域內出現較多細密的裂紋，說明陶瓷出現比較嚴重的碎裂；到7.9 μs時，錐形裂紋區域進一步擴大，兩條錐形裂紋帶及其間區域內的裂紋密度都變得更大。對比圖2(a)和圖2(b)可見，數值計算較好地預測了陶瓷錐的形成，再現了陶瓷梁的損傷演化過程。圖2(c)給出了仿珍珠母復合梁的損傷演化過程。在1.9 μs時，仿珍珠母復合梁的損傷從彈著點處彈體的邊緣出發，形成兩條損傷帶，損傷帶寬且短，此時梁的背面尚無損傷。到4.9 μs時，損傷帶朝背面擴展并稍有加寬，損傷區域大體呈圓柱狀，彈著點處出現成坑現象。到7.9 μs時，損傷帶擴展至梁背面，其橫向擴展不明顯，損傷帶間的損傷區域變大，彈著點處成坑更明顯。由圖2(a)和圖2(c)可見，陶瓷梁和仿珍珠母復合梁呈現出完全不同的損傷過程。

圖2 梁的損傷演化Fig.2 Damage evolution of beams

陶瓷梁和仿珍珠母復合梁出現前述不同損傷模式的主要機理如下。對于陶瓷梁，當彈體撞上梁的中間部分時，梁左右兩側受彎曲作用，在靠近彈體周邊附近的梁上表面處產生較大拉應力，由于在拉應力作用下陶瓷材料很容易破壞，因此該處陶瓷材料迅速損傷和失效，形成初始裂紋；當彈體繼續向下撞擊梁的中間部分時，梁中間部分向下運動，初始裂紋產生張開趨勢，裂尖處的陶瓷材料因受拉伸作用而進一步損傷和失效，因而裂紋發生擴展，上述過程持續下去就形成前面所述的錐形損傷帶（裂紋）；由于錐形裂紋將梁中間部分和兩側部分隔開，撞擊產生的應力波在中間錐形區域內反復反射和傳播，造成該區域內陶瓷材料的損傷不斷加劇。對于仿珍珠母復合梁，層內的陶瓷片間和相鄰層的陶瓷片間均有聚脲黏結；從梁的縱向（長度方向）看，由于聚脲材料的強度相比陶瓷強度低很多，主要通過層內陶瓷片間的聚脲發生變形而使梁發生彎曲，而層內陶瓷片所受彎曲作用和變形沿遠離彈體方向迅速減小，因而仿珍珠母梁的變形和損傷局限在縱向較小的范圍內；從梁的橫向（高度方向）看，各陶瓷片層和聚脲層通過擠壓作用傳遞載荷，因而損傷從梁的正面向背面逐漸擴展。

圖3給出了30 μs時梁的損傷云圖，此時，彈體速度基本保持穩定。由圖3可見，陶瓷梁的損傷擴展至其整個長度范圍，發生整體性破壞。仿珍珠母復合梁的損傷集中在較小的柱狀區域內，發生局部破壞。因此，相對于陶瓷而言，仿珍珠母陶瓷/聚脲復合結構能更好地保持結構完整性，有利于抗多次撞擊。

圖3 30 μs時梁的損傷云圖Fig.3 Damage contours of beams at 30μs

圖4給出了梁背面中心位置的z向（彈體撞擊方向）正應力的時程曲線。撞擊引起的壓縮波傳播到陶瓷梁和仿珍珠母復合梁背面的時間分別為1.8和6.4 μs，仿珍珠母復合梁中的平均波速明顯低于陶瓷梁中的波速，這是因為聚脲中的波速比陶瓷中的波速低很多。壓縮波在梁背面反射形成拉伸波，拉伸應力導致陶瓷迅速發生損傷和破壞。這與圖2(a)和圖2(c)中陶瓷梁和仿珍珠母復合梁分別在1.9和7.9 μs之前背面附近出現損傷的現象一致。同時，從圖4還可以看出，由于聚脲層的緩沖作用，仿珍珠母復合梁背面的峰值壓縮應力（91.6 MPa）遠小于陶瓷梁背面的峰值壓縮應力（482.1 MPa）。

圖4 梁背面中心點的z向正應力(σz)的時程曲線Fig.4 History curves of normal stress in z-direction (σz)for center point on back face of beams

2.2 撞擊速度對梁損傷的影響

為了研究不同撞擊速度下兩種梁的沖擊損傷情況，進一步計算了彈體撞擊速度為25、50和100 m/s的3種工況。圖5對比了上述3種工況下兩種梁的損傷情況。當撞擊速度為25 m/s時：陶瓷梁內產生兩條損傷帶，沿縱向擴展并貫穿梁的整個高度，且在梁的背面處也發生一定程度的損傷；仿珍珠母復合梁只有第一層陶瓷片發生較嚴重的損傷，損傷區域很小。當撞擊速度為50 m/s時：陶瓷梁的損傷沿橫向擴展，損傷范圍明顯比撞擊速度為25 m/s時大，損傷程度更嚴重，梁中間部分的材料基本上完全損傷，表明梁將沿中間發生整體斷裂；仿珍珠母復合梁的橫向損傷范圍也較大，損傷擴展至梁的背面，但除了梁的第一層彈著點處陶瓷片完全損傷外，其余部分的損傷程度較輕。當撞擊速度增加到100 m/s時：陶瓷梁的損傷形式變得跟前述203 m/s時的情況相似，其損傷范圍擴大至整個梁，梁內形成陶瓷錐，梁的損傷程度進一步加劇；仿珍珠母復合梁的橫向損傷范圍與50 m/s時相比沒有進一步擴大，但損傷程度有所增大。

圖5 不同撞擊速度下梁的損傷云圖Fig.5 Damage contours of beams at different impact velocities

3 結 論

基于有限元數值模擬，研究了陶瓷梁和仿珍珠母陶瓷/聚脲復合梁受平頭彈撞擊的沖擊損傷，對比了兩者的損傷演化過程，分析了撞擊速度對其損傷過程的影響。

(1)在彈體高速（203 m/s）撞擊下，陶瓷梁的損傷呈錐形擴展，形成陶瓷錐，梁的損傷范圍擴展至整個長度范圍，發生整體性破壞；而仿珍珠母復合梁的損傷呈柱狀擴展，梁的損傷范圍較小，發生局部性破壞。因此，仿珍珠母復合結構比陶瓷結構能更好地保持結構的完整性，有利于抗多次撞擊。

(2)隨著彈體撞擊速度的增加，陶瓷梁的損傷范圍加大，損傷程度加劇，而仿珍珠母復合梁的損傷范圍在撞擊速度大于50 m/s后變化不大，但損傷程度有所增加。

(3)在低速（25 m/s）撞擊下，陶瓷梁會發生貫穿梁的整個高度的損傷，而仿珍珠母復合梁僅會在彈著點附近產生很小的損傷區域。